[发明专利]一种激光诱导锰氧化物/石墨烯阵列的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及石墨烯材料技术领域，具体涉及一种激光诱导锰氧化物/石墨烯阵列的制备方法及其应用。本发明的制备方法为先将PI膜贴于铜箔上，再对PI膜进行激光划线诱导出PI柱‑LIG阵列，往阵列上加锰源，将锰源激光热加工为MnOsubgt;x/subgt;纳米颗粒的同时锚定于LIG阵列，并将多个PI柱的部分PI激光诱导为LIG，由铜箔、PI柱和锚定有MnOsubgt;x/subgt;纳米颗粒的LIG阵列组成激光诱导锰氧化物/石墨烯阵列。本发明制备MnOsubgt;x/subgt;@LIG阵列的方法简便，可原位生成并锚定锰氧化物纳米颗粒的同时实现阵列结构的调控；MnOsubgt;x/subgt;@LIG阵列可作为锂金属电池负极的宿主材料，制备的锂金属电池具有成核过电位低，循环稳定性好，倍率性能优异等优点。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，具体涉及一种激光诱导锰氧化物/石墨烯阵列的制备方法及其应用。

背景技术

随着新能源的不断发展，基于石墨、插层化合物的传统锂离子电池(理论能量密度约为387Wh/kg)已经无法满足新能源电动汽车和大规模储能体系等对高能量密度储能技术的迫切需求，因此需研发新一代高比能储能体系。金属锂作为最轻的金属(0.534g/cm³)，具有极高的理论比容量(3860mAh/g)和最低的还原电势(-3.04Vvs.标准氢电极)，是未来高容量二次电池负极材料的最佳选择。近年来，金属锂负极凭借其理论能量优势而成为电池领域的研究热点，但是其安全性和商业化进程依然面临着巨大的挑战，主要问题为：(1)金属锂负极自身存在不可控的枝晶生长特性，容易刺穿隔膜引发电池短路，带来严重的火灾甚至爆炸隐患；(2)金属锂的高反应活性使其在电极/电解液界面引起了大量的副反应，分解的电解液产物在沉积锂的表面形成了电子绝缘的固体电解质膜(SEI)，产生大量的“死锂”并持续不断地消耗电解液，导致电极充放电效率低以及容量的快速衰减；(3)锂的无序沉积和溶解过程伴随着电极体积的巨大变化，使电池内部结构破坏而失效。因此，解决金属锂的枝晶问题并获得循环性能稳定和安全性能高的锂金属电池具有重要的科学意义和实际应用价值。

近年来，具有较大比表面积和丰富孔道结构的多孔碳材料(如碳纳米管，碳纳米纤维，碳纳米球等)被广泛应用于锂金属电池的负极改性，同时可以通过添加过渡金属基材料来提高亲锂性，降低金属锂的成核过电位，改善锂离子的沉积行为。其中，石墨烯材料凭借其高导电性及优异的力学和热学性质的特点，被广泛应用于诸多储能材料上，同时还可以通过与不同的氧化物复合有效实现石墨烯材料的功能化。然而，目前制备金属氧化物/石墨烯复合材料的工艺大多需要较为苛刻的条件如高温、高压和需要惰性气体气氛等，且制备过程较为复杂，最后还需要添加粘结剂涂覆于集流体上才能作为锂金属电池负极的宿主材料。因此，需要研发一种金属氧化物/石墨烯复合材料的简便高效的制备方法并将其用于锂金属电池负极。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种激光诱导锰氧化物/石墨烯阵列的制备方法，通过两次激光诱导生成锰氧化物纳米颗粒修饰的石墨烯，该复合材料阵列的合成步骤简便；将该复合材料结合铜箔和PI柱制得MnO_x@LIG阵列，MnO_x@LIG阵列可作为锂金属电池负极的宿主材料，制备的锂金属电池具有成核过电位低，循环稳定性好，倍率性能优异等优点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种激光诱导锰氧化物/石墨烯阵列的制备方法，包括以下步骤：

S1、将铜箔集流体贴于衬底上，再将聚酰亚胺(PI)膜贴于铜箔上；

S2、对PI膜进行加工深度为100％的激光划线，使划线部分的PI膜被激光诱导为石墨烯(LIG)阵列，剩余未被加工的PI膜被划线分割为多个PI柱；